广义轨道根数空间的轨道机动可达性

在由动量矩矢量和偏心率矢量定义的广义轨道根数度量空间内,研究了在初始轨道的任意点施加幅值固定的单脉冲后卫星的可达区域,包括脉冲施加的位置任意、方向固定和位置固定、方向任意2种情况,给出了广义轨道根数空间中轨道机动的可达性判据.通过比较脉冲作用前后的广义轨道根数,评估了单脉冲对广义轨道根数的影响,并且利用数值仿真分析了脉冲作用位置、方向与广义轨道根数空间中度量的关系.最后,在广义轨道根数空间中给出了轨道到轨道的机动策略,验证了广义轨道根数的可行性.     

基于平均轨道根数的飞船伴飞卫星控制方法

给出一种基于平均轨道根数的伴飞卫星控制方法。首先介绍二体轨道条件下利用超几何函数法解算二次冲量控制问题的基本思想,在此基础上通过n次修正法应用到摄动条件下的轨道模型;通过引入平均轨道根数的概念,对航天器编队构形进行控制,消除短周期摄动对轨道的影响,长期有效地控制构形维持。同时讨论对跟飞和圆形伴飞编队进行构形维持的起控条件的确定方法。     

一种基于轨道根数约束的最优制导方法

针对航天器空间变轨的制导问题,研究了一种基于轨道根数约束的最优制导方法。在地心惯性坐标系下直接建立航天器的最优控制模型,给出了位置速度表达式和协态变量初值之间的关系;进一步,在不约束真近点角的前提下,推导了5个轨道根数的约束方程,并通过对轨道根数和最优控制理论中协态方程的特性分析,获得了另外两个约束方程。协态变量初值可直接通过求解7个完整约束方程组获得,进而得到最优推力方向。仿真验证了所提制导方法的有效性。     

航天器近距编队轨道动力学模型及仿真

针对目前航天器近距编队长期飞行中存在的HCW模型精确度不够的问题,提出了利用平均轨道根数线性微分漂移率预测J_2摄动下航天器近距编队相对运动的方法,建立了一种新的航天器近距编队轨道动力学模型.仿真结果表明,解析模型计算得到的相对运动轨道和不考虑J_2摄动影响的相对运动轨道相比,解析模型运算时间很短,精度提高约50%(10个轨道周期之后),证明了模型的有效性和快速性,适合在线运行,同时给出了解析模型的适用范围.     

直接解算轨道根数的轨道约束自校准定轨方法

应用轨道约束自校准技术能够有效地修正系统误差和提高定轨精度。本文为了适应各种航天试验任务要求,将轨道约束自校准技术推广应用到直接解算轨道根数的定轨方法中,并导出了解算开普勒根数的轨道约束自校准公式。     

月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对GlobalStar星座卫星进行仿真与试验.结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持.     

三点光测确定人卫轨道

本文提出了一种利用三点光学测量数据确定人卫轨道的计算方案。首先使用三点测量数据计算两个三角形面积比值系数Ｃ１和Ｃ３，然后通过求解一个含有Ｃ１和Ｃ３的方程组得出对应三个观测时刻的卫星斜距与地心向径，即可算出卫星轨道根数；再用所得轨道对系数Ｃ１和Ｃ３进行牛顿－拉夫森控代修正，从而给出较为精确的轨道根数。     

普适变量下的最优控制求解研究

研究了普适变量下状态方程的最优控制问题.在消除奇点的轨道根数的基础上,建立了普适变量下适合圆锥曲线求解的摄动方程.利用Gauss伪谱法对摄动方程进行了最优控制求解和仿真验证.计算过程及仿真结果表明,所建立的摄动方程以及所用的Gauss法能够满足各种约束条件,便于对发动机进行控制,且在零倾角轨道情况下不产生奇异.     

卫星轨道误差的相关性

卫星的轨道误差是卫星测控中需加以约定的重要指标之一,其常用的表示方法主要有Kepler轨道根数形式和RTN投影形式。本文推导了RTN形式的卫星位置、速度误差与Kepler根数误差间的关系,给出了近圆轨道中RTN形式位置、速度误差间的定量关系,分析了RTN形式位置误差约束下Kepler根数误差的相关性,并分别给出了验证算例。该结果可用于分析确定卫星轨道误差指标,使其彼此匹配。     

Gaussian pigeon-inspired optimization approach to orbital spacecraft formation reconfiguration

With the rapid development of space technology, orbital spacecraft formation has received great attention from international and domestic academics and industry. Compared with a single monolithic, the orbital spacecraft formation system has many advantages. This paper presents an improved pigeon-inspired optimization(PIO) algorithm for solving the optimal formation reconfiguration problems of multiple orbital spacecraft. Considering that the uniform distribution random searching system in PIO has its own weakness, a modified PIO model adopting Gaussian strategy is presented and the detailed process is also given. Comparative experiments with basic PIO and particle swarm optimization(PSO) are conducted, and the results have verified the feasibility and effectiveness of the proposed Gaussian PIO(GPIO) in solving orbital spacecraft formation reconfiguration problems.     

Dynamical behaviors and relative trajectories of the spacecraft formation flying

To describe the relative motion of spacecraft formation flying, this paper presents a method based on relative orbital elements, which is suitable to elliptical orbit with arbitrary eccentricity. The long time formation flying conditions are theoretically derived taken into account the relationship between relative motion and relative orbital elements. These conditions include that both the orbital periods of all participating spacecrafts should be the same and other relative orbital elements should be small enough. The expected relative distance of the spacecrafts would determine the magnitudes of such relative orbital elements. Theoretical analysis and numerical simulation results show that the spacecrafts with sufficient small relative orbital elements can keep long time formation flying without any active control when the orbital perturbations are not considered. The results also show that Hill's equation is only suitable for describing a short time formation flying.     

一种高动态低信噪比卫星导航信号捕获方法

为提升高动态低信噪比环境下卫星导航信号的捕获性能,提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)及部分匹配滤波(PMF)的捕获方法。在该方法中,接收机首先利用PMF对接收信号做分段相干积分,随后借助快速傅里叶变换(FFT)对分段积分结果做离散快速FrFT,最后通过检测FrFT输出的峰值完成信号的捕获。由于具有多普勒频率变化率的卫星导航信号在FrFT后呈现能量聚焦特性,所提方法能够显著提高信号的长时间相干积分增益。同时对所提算法的捕获概率、平均捕获时间以及算法复杂度等性能指标进行了理论分析及计算机仿真验证。仿真表明,与传统的PMF-FFT方法相比,所提方法能够通过延长相干积分时间的方式有效提升高动态低信噪比卫星导航信号的捕获概率、降低捕获时间。     

基于等距Ease-off曲面的轮齿啮合仿真分析

提出了一种基于Ease-off曲面等距变换的轮齿啮合仿真分析方法. 利用曲面曲挠参数,给出了2阶密切曲面的定义及其拓扑方法;在2阶微分精度范围内,密切曲面与原曲面贴近,可以代替散曲面做几何解析. 利用空间坐标变换,建立了弧齿锥齿轮加工的啮合方程和通用产成模型. 基于啮合等距对应原理,求解齿面对应点的离差;利用最小二乘法,拓扑散曲面,构建Ease-off差齿面的2阶密切曲面. 基于Ease-off密切曲面参数,利用齿面接触的等距线、渐近方向,解析出齿面接触位形、接触路径、传动误差等啮合性能参数. 分析结果表明:一次性构建Ease-off的2阶密切曲面,能够获得轮齿完备的啮合信息,曲面拓扑精度可到达0.1μm;与现行的啮合仿真方法相比易于齿面反求、数值计算,啮合信息的获得也更为便捷.      

Analytical long-term evolution and perturbation compensation models for BeiDou MEO satellites

The current paper establishes the analytical models of the long-term evolution and perturbation compensation strategy for Medium Earth Orbits(MEO)shallow-resonant navigation constellation,with application to the Chinese Bei Dou Navigation Satellite System(BDS).The long-term perturbation model for the relative motion is developed based on the Hamiltonian model,and the long-term evolution law is analyzed.The relationship between the control boundary of the constellation and the offset of the orbital elements is analyzed,and a general analytical method for calculating the offset of the orbit elements is proposed.The analytical model is further improved when the luni-solar perturbations are included.The long-term evolutions of the BDS MEO constellation within 10 years are illustrated,and the effectiveness of the proposed analytical perturbation compensation calculation approach is compared with the traditional numerical results.We found the fundamental reason for the nonlinear variations of the relative longitude of ascending node and the mean argument of latitude is the long-periodic variations of the orbital inclination due to the luni-solar perturbations.The proposed analytical approach can avoid the numerical iterations,and reveal the essential relationship between the orbital element offsets and the secular drifts of the constellation configuration.Moreover,there is no need for maintaining the BDS MEO constellation within 10 years while using the perturbation compensation method.     

HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响

通常使用无电离层(IF)线性组合(LC)消除低地球轨道(LEO)卫星简化动力学精密定轨(POD)一阶电离层延迟误差,忽略了高阶电离层(HOI)延迟误差。随着LEO卫星POD技术的发展,计算不同轨道高度的HOI延迟并探索其变化已成为进一步提高POD精度的重要手段。首先,使用国际参考电离层-2016(IRI-2016)和国际地磁参考场第13代(IGRF-13)模型,计算电离层穿刺点(IPP)位置和地磁场强度。其次,使用平滑星载GNSS数据计算电离层斜路径总电子含量(STEC)。然后,分别计算GOCE、GRACE-A和SWARM-A/B卫星的二阶和三阶电离层延迟。最后,评估了HOI延迟对LEO卫星重叠轨道分析、卫星激光测距(SLR)检核和精密科学轨道(PSO)比较结果的影响。实验结果表明：HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响大约在毫米至厘米的数量级上;HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD外符合精度的影响分别达到0.92,0.22,0.21和0.18 mm;随着LEO卫星轨道高度的增加,HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响减小。     

Algorithmic, architectural, and beam pattern issues of sidelobecancellation

Various important issues concerning the sidelobe cancellation (SLC) approach for suppressing sidelobe interference signals in radar are investigated. The concepts are presented in a tutorial manner and include: formulating the calculation of the complex weights for the auxiliary channels as an exact least-squares (LS) problem; computing the LS weights using orthogonal transformation for improved numerical accuracy; and mapping orthogonalization-based algorithms onto systolic arrays. The problem of excessive degrees of freedom (EDOF) associated with utilizing too many auxiliary elements when a relatively small number of jammers are present, is also considered. A divisionless orthogonalization-based algorithm is presented for the computation of the auxiliary weights. Many of these issues have previously been either implicitly stated or only individually addressed in various sources by a number of researchers. Besides showing simulation results and the divisionless procedure for obtaining the final auxiliary weights, a major consideration was to present all of the aforementioned concepts in a coherent and unified framework     

嵌套阵列最大似然估计测向算法

针对在辐射源个数未知的条件下嵌套阵列难以估计多个辐射源角度的问题,提出了基于最大似然估计(MLE)的嵌套阵列角度估计算法。算法在嵌套阵列模型的基础上,首先通过推导阵列截获多辐射源信号的最大似然函数及其梯度,利用最速下降法估计出空域中所有潜在辐射源的角度;然后,通过多元假设检验,利用最大似然比与门限进行比较,确定出空域中所有潜在辐射源中某一时刻发射信号的活跃辐射源角度,排除其余噪声形成的虚假辐射源角度,解决了在辐射源个数未知条件下嵌套阵列对多个辐射源角度估计问题。仿真结果表明:与传统多重信号分类(MUSIC)算法相比,该算法在辐射源数目未知、存在相干信号、低信噪比(SNR)、低快拍数条件下,均具有较好的角度估计精度,并且算法形成的虚拟阵列自由度是空间平滑MUSIC算法的2倍;多元假设检验法比传统信源数目估计算法在低信噪比条件下和处理相干信号方面具有明显优势。     

Closed form algorithm of double-satellite TDOA+AOA localization based on WGS-84 model

In this paper, we consider the double-satellite localization under the earth ellipsoid model of the Wideband Geodetic System(WGS-84) using the Time Difference of Arrival(TDOA)and the Angle-of-Arrival(AOA).Several closed-form solution algorithms via the pseudolinearization of the measurement equations are presented to efficiently estimate the location.These algorithms include the Weighted Least Squares(WLS), the Constrained Total Least Squares(CTLS), and the Taylor-Series Iteration(TSI).Performance comparison of the proposed methods with the Cramér-Rao Lower Bound(CRLB) in the simulation is shown to demonstrate that the proposed algorithms are feasible and have stable performance.     

未知互耦条件下混合信号波达方向估计

阵列天线互耦对导向矢量的扰动以及信号相干性对数据协方差矩阵造成的秩损,使得基于子空间正交性原理的超分辨波达方向估计(Direction-of-Arrival,DOA)算法性能恶化,甚至失效。针对这一问题,提出一种在相干与非相干信号混合状态下无需阵列互耦补偿的特征矢量平滑DOA估计算法。该算法对部分阵元接收数据的协方差矩阵特征分解,将得到的特征矢量平滑处理后构造等效协方差矩阵,抑制阵列互耦影响的同时完成混合信号DOA估计。在阵列互耦和信号相干性均未知的条件下,正确估计了信号DOA,无需互耦参数估计或补偿。计算机仿真结果验证了算法的有效性。